Kada se fizičari nađu u potrazi za novom vrstom poluvodiča za izradu procesora i lasera, morali su se moći osloniti na sofisticirane računalne programe, tj. sve do sad.

Naime, pokazalo se kako modeli na kojima se zasnivaju programi za predviđanje električnih svojstava materijala previše pojednostavljuju stvarnost. Internacionalni tim znanstvenika, koji uključuje i predstavnike Max Planck instituta za kvantnu optiku, proveli su mjerenja uz pomoć ekstremno kratkih laserskih pulseva. Iz ovog su eksperimenta fizičari zaključili kako elektroni, koje iz atoma izbaci takav laserski puls, u biti kasne za nekoliko desetina atosekundi. Jedna atosekunda odgovara milijarditom dijelu milijarditog dijela sekunde.

Dosad se pretpostavljalo kako se tijekom fotoemisije elektroni katapultiraju u istom trenu kada zraka svjetlosti obasja materijal. Modeli pomoću kojih kvantni fizičari opisuju elektronska stanja tvari oslanjaju se upravo na toj pretpostavci. Dakle, ti bi modeli mogli biti previše neprecizni, barem u istraživanjima u kojima je preciznost od izuzetne važnosti.

Fizičari rijetko razbijaju glavu stvarima koje ne mogu istražiti. Od otkrića fotoemisije, prije otprilike stotinu godina, isti se princip rada odnosio i na pitanje koliko treba atomu da emitira elektron tijekom fotoemisije. Bilo je jasno kako ne postoji dovoljno sofisticirana aparatura kojom bi se moglo izvesti takvo mjerenje. Fizičari su stoga jednostavno pretpostavili kako je se fotoemisija događa trenutačno tj. kako nema vremenskog razmaka između obasjavanja i bijega elektrona. “Takvo što uvelike pojednostavljuje stvarnost”, ističe Martin Schultze, jedan od znanstvenika s Max Planck instituta za kvantnu optiku, Garching. On i njegovi kolege s Ludwig Maximilian sveučilišta u Münchenu, Tehničkog sveučilišta u Münchenu, u suradnji sa znanstvenicima iz Grčke, Austrije i Saudijske Arabije, osporili su stoljeće staru pretpostavku. “Otkrili smo kako postoji stanovito zakašnjenje u fotoemisiji.” Dobru analogiju možemo naći u sportu. Baš kao što najbolji trkač ne poleti sa starta u istom trenutku kada se ispali pucanj, tako niti elektron ne iskače trenutačno.

Na koji način elektroni djeluju jedan na drugog unutar atoma
Gore je navedeno kako je elektronu potrebno nekoliko desetina atosekunde da izleti iz ekscitiranog atoma. Iako se radi samo o milijarditom dijelu milijarditog dijela sekunde, čak je i to dovoljno da se poremeti čitava teorija koju su fizičari složili ne bi li objasnili što se to događa u elektronskom omotaču atoma. “Rezultati našeg istraživanja otvaraju nov pristup u međudjelovanje elektrona u atomu”, navodi Ferenc Krausz, na čijem se odjelu Max Planck instituta za kvantnu optiku provelo ovo istraživanje.

Situacija kada elektron bude izbačen iz atoma uslijed djelovanja svijetla i nije situacija s kojom će se elektron trenutačno pomiriti. Ovakav događaj uvijek utječe i na sve ostale elektrone u atomu. Bez pojednostavljenih pretpostavki čak ni najmoćnija računala ne bi bila u stanju simulirati opisanu situaciju. Ono što se događa jest da računala približno odrede prosječnu vrijednost elektrona, koji nisu ono što jesu, tijekom izbacivanja iz atoma uslijed fotoemisije. Sada su fizičari po prvi put pokušali doraditi postojeće modele umećući nova saznanja u svrhu dobivanja zakašnjelog izbacivanja elektrona, što su i uspjeli. Ukoliko se već postavljene modele samo malo doradi, oni mogu izračunati vrijeme zakašnjele emisije. Ipak vrijeme koje predviđaju takvi modeli svega je jedna petina izmjerene vrijednosti. “Ovdje očito dolazi do sistematske pogreške”, objašnjava Martin Schultze.

Teoretičari su sada u mogućnosti preraditi modele tako da oni uključuju zakašnjelu emisiju fotona čime bi se moglo skupiti pouzdanije informacije o ponašanju elektrona uopće. “To bi trebalo biti posebno važno za istraživanja vezana uz električnu provodnost materijala”, ističe Martin Schultze. Takvo što bi se moglo iskoristiti u potrazi za poluvodičima ili materijalima specifičnih svojstava važnih za različite primjene u elektronici.

Kronometrija kroz genijalni eksperiment
Činjenica da fizičari danas mogu mnogo detaljnije promatrati fotoemisiju dovela nas je do atosekundne spektroskopije. “Tek smo nedavno došli u mogućnost promatrati pojave koje traju samo nekoliko milijarditih dijelova milijarditog dijela sekunde”, navodi Ferenc Krausz. Ipak, čak ni najkraćim laserskim pulsevima ne može se konstruirati zaporni sati koji bi mogao odrediti apsolutno vrijeme starta elektrona nakon dolaska laserskog pulsa. “Umjesto toga, naši pokusi nude vrlo pouzdanu indikaciju zbog koje smo u mogućnosti detektirati i procijeniti kašnjenje”, objašnjava Martin Schultze.

On i njegovi kolege izmjerili su vremensku razliku kojom elektroni napuštaju pojedine orbitale. Orbitala je pojam koji opisuje prostor u kojem se nalaze elektroni. Ona ujedno i određuje način na koji će elektron reagirati na upadni laserski puls. Baš kao što svaki trkač različito brzo starta i elektroni različitih orbitala različitom brzinom napuštaju te orbitale. Ne bi li izmjerili tu vremensku razliku fizičari su se dosjetili mudrog trika.

Pokuse su vršili na oblaku neona, plemenitog plina, a fokusirali su se na elektrone iz dvije orbitale. Na atome plina su usmjerili puls UV zračenja s izrazitim magnetskim svojstvima. Takav puls traje svega nekoliko desetina atosekunde, a izbacuje različite elektrone iz atoma tog plemenitog plina. Nadalje, atome neona izložili su djelovanju i IR laserskog pulsa koji traje otprilike 40 puta dulje u odnosu na UV puls. Pulseve su uskladili tako da kraći, UV puls udara na atom u dok je dulji, IR puls već tamo.

Startni signal za utrku elektrona
Čim elektron napusti atom on osjeća djelovanje oscilirajućeg elektromagnetskog polja IR pulsa. Po izlasku iz atoma, elektron neznatno ubrza ili pak neznatno uspori ovisno o tome upadne li u dol ili na brijeg IR laserskog vala. Smjer u kojem je pogurnut ovisi, s jedne strane, o načinu na koji ta dva pulsa međudjeluju u trenutku kad udare u atom. Tu pojavu fizičari mogu vrlo precizno kontrolirati. Opet s druge strane, smjer ovisi i o tome koliko je zakašnjenje elektrona tj. o orbitali u kojoj se taj elektron nalazi. Mijenjanjem položaja kratkog UV pulsa unutar duljeg IR pulsa može se odrediti kada će različiti elektroni ubrzati, a kada će usporiti. Iz toga se direktno mogu izvući različita vremena starta elektrona iz različitih orbitala.

U slučaju koji su proučavali tijekom ovog istraživanja, rezultati su pokazali razliku od otprilike 20 atosekundi. “Ne bi li izmjerili apsolutne vrijednosti, trebali bi naći atom is kojeg se elektroni emitiraju bez zakašnjenja”, objašnjava Martin Schultze. Takav bi elektron označavao početnu točku utrke elektrona, a omogućio bi i konstrukciju zapornog sata kojim bi se mjerilo zakašnjenje emisije elektrona.

Izvor: Max-Planck-Gesellschaft

Tražili ste na google-u:

• elektroni znanost (1)